С момента создания Лиги наций и до конца своей жизни Нансен был тесно связан с этой организацией. С первой Ассамблеи Лиги наций в 1920 г. Нансен постоянно назначался членом норвежской делегации, а с 1921 по 1929 г. был ее председателем и руководителем.
Своей первоочередной задачей в Лиге наций Нансен считал борьбу за обеспечение мира. Большую роль в этой борьбе он отводил Лиге наций, надеясь, что в ее деятельности найдет осуществление его давнишняя мечта, выраженная им еще в 1899 г. в письме к английскому журналисту В. Стиду. «...Если все здравомыслящие мужчины и женщины во всех странах объединятся,— говорится в этом письме, — то они создадут непреодолимый союз и будут в состоянии уничтожить дух войны, который витает над народами как пережиток варварства». Нансен полагал, что центром такого объединения может послужить Лига наций.
В течение всего своего пребывания в Лиге наций Нансен вел активную пропаганду против войны, против политики силы и стремился к тому, чтобы Лига наций выполняла свои функции по сохранению мира. Выступая на заседаниях Ассамблеи Лиги наций по вопросам репатриации военнопленных, помощи беженцам или борьбы с голодом и болезнями, Нансен указывал, что причина всех этих человеческих бедствий — войны и гонка вооружений. Нансен был страстным борцом за мир и разоружение. Однако буржуазное мировоззрение не позволяло ему понять, что причины, порождающие войны и гонку вооружений, кроются в самой капиталистической системе с ее антагонистическими противоречиями. Не мог Нансен понять и того, что демагогические речи о мире и разоружении произносятся государственными деятелями в Лиге наций с целью обмана широких народных масс, что на самом деле англо-французские империалисты стремятся использовать Лигу наций в своих корыстных интересах, прежде всего в борьбе против Советской России, объединив через Лигу наций в антисоветский блок все силы империализма.
Последние десять лет своей жизни Нансен был не только делегатом Норвегии в Лиге наций, но и верховным комиссаром Лиги наций по различным международным вопросам. Человек большой энергии и настойчивости, обладавший настоящим организаторским талантом, имевший непоколебимый авторитет и широкую международную известность, Нансен как никто другой мог решать сложные международные задачи огромного гуманистического значения.
В 1920 г., когда перед Лигой наций встал вопрос о репатриации военнопленных, сотни тысяч которых еще пребывали на чужбине, заниматься этой проблемой пригласили Нансена. Принимая на себя обязанности верховного комиссара Лиги наций по делам военнопленных, Нансен руководствовался не только стремлением помочь людям, попавшим, в беду, но и желанием показать возможности Лиги наций в решении международных вопросов. Однако в тот момент Лига наций находилась в стадии организационного оформления и не имела ни персонала, ни средств, поэтому многочисленные технические и финансовые трудности сложной задачи репатриации Нансену пришлось преодолевать лично, полагаясь на собственные силы.
Занимаясь репатриацией военнопленных, Нансен в 1920 г. впервые посетил Советскую Россию. Несмотря на огромные трудности, Советское правительство оказало Нансену всестороннее содействие и, взяв на себя определенные обязательства по репатриации военнопленных, неуклонно их выполняло. В связи с тем, что Советское правительство не было признано Лигой наций, оно вело переговоры с Нансеном не как с представителем Лиги наций, а как с самостоятельным юридическим лицом. Таков был авторитет Нансена, и таково было уважение к нему Советского правительства. Это сотрудничество укрепило взаимопонимание и доверие между Нансеном и Советским правительством. Благодаря деятельности Нансена около 450 тысяч военнопленных 27 различных национальностей вернулись домой.
Выступая против политики «санитарного кордона», проводимой Антантой в отношении Советской России, критикуя политику вмешательства во внутренние дела молодого государства, Нансен считал необходимым предоставить народам России возможность самим решить свою судьбу. Нансен выступал за признание Советской республики и уже на первой Ассамблее Лиги наций выразил сожаление по поводу отсутствия представителя Советской России. В своем отношении к Советской России Нансен руководствовался тем, что вопрос государственной власти — это дело народа, проживающего в стране, а действия народа должны оцениваться с позиций этого народа. Того,что Октябрьская революция начала новую эпоху истории, Нансен, безусловно, не понимал, так же как не понимал сущности коммунизма, на путь строительства которого вставал народ Советской России. Коммунистическое общество Нансен уподоблял первобытному коммунизму эскимосов, который он наблюдал в Гренландии.